Vliv změny využití půdy na obsah uhlíku v půdě

Největší příčinou globální změny klimatu, jejíž dopady jsme v posledních letech pociťovali mnohem zřetelněji, je nárůst množství skleníkových plynů v atmosféře. Oxid uhličitý je plyn s nejvyšším procentem efektu ze skleníkových plynů. Nárůst koncentrací atmosférického uhlíku (CO₂) po průmyslové revoluci je důsledkem antropogenních (lidských činností).

Po oceánech jsou suchozemské ekosystémy největším úložištěm uhlíku. Půda je největší zásobárnou uhlíku v pozemské biosféře a ukládá třikrát více uhlíku oproti atmosféře. I sebemenší změna uhlíku v půdě ovlivňuje atmosférický uhlík. V závislosti na rozdílech ve využívání půdy se mění i uhlík v zásobách půdy. Když je směr této změny z půdy do atmosféry, množství atmosférických skleníkových plynů se zvyšuje.

Změny ve využívání půdy a pokryvu zemského povrchu mohou přispět ke změně klimatu tím, že ovlivní světovou energetickou bilanci, a také jsou ovlivněny změnou klimatu. Zatímco k více než polovině změn půdy dochází přímo lidskou činností, zbývající část je spojena s nepřímými faktory, jako je změna klimatu [1]. Člověkem vyvolané změny v pokryvu zemského povrchu mají velký význam pro strukturu a funkci ekosystémů, ale stejně tak důležité pro poskytování potravy a přístřeší lidem. V této části textu je představena interakce mezi změnami ve využívání půdy a změnou klimatu.

Efekt různého využití zemského povrchu na zachycování uhlíku

Existuje nejistota ohledně toho, jak přesně je zemský povrch využíván. Na druhou stranu je známo, že se zemský povrch neustále přetváří. Na celém světě je 13 miliard hektarů neledovcové půdy, z čehož jednu třetinu (4,3 miliardy hektarů) tvoří trvalé travní porosty a zemědělská půda [2]. Proporcionální rozložení neledovcových pozemských oblastí ve světě je shrnuto na obrázku 1.

Obrázek 1. Odhad globálního využití neledovcové půdy (upraveno podle Breewood a Garnett 2020 [2])

Již dlouho je známo, že změny v pokryvu zemského povrchu mohou změnit množství uhlíku uloženého v půdě a v důsledku toho může být ovlivněn atmosférický uhlík. Velké množství studií zkoumajících změny ve změnách ve využívání půdy a zásobách půdy C však ukázalo, že mohou existovat značné neshody ohledně směru a velikosti změn, ke kterým dochází v důsledku některých rozdílů ve využívání.

Přechod z jednoho ekosystému do druhého může v přírodě nastat spontánně, většinou však v důsledku lidské činnosti. Každá půda má uhlíkovou kapacitu a rovnovážný obsah uhlíku v závislosti na typu rostlin na ní a klimatických charakteristikách regionu [3]. Při změnách využívání půdy existují rozdíly ve vstupu a výstupu uhlíku do půdy a tato rovnováha je narušena. Na konci procesu se zásoby C v půdě změní buď jako zdroj uhlíku, nebo jako pohlcovač uhlíku. K dispozici je řada studií na toto téma.

Ve své studii se Deng et al. [4] na základě syntézy 103 nových publikací z 29 zemí pokusili odhalit účinky změn ve využívání půdy na zásoby uhlíku v půdě. Ve svých výsledcích uvedli, že v obecném průměru transformace využívání půdy významně snížily zásoby uhlíku v půdě (0,39 Mg.ha^-1.rok^-1). Další výsledky zjištěné výzkumníky jsou shrnuty v tabulce 1. Zatímco zásoby uhlíku v půdě se zvýšily při přechodu ze zemědělské půdy a lesních oblastí na pastviny, změna zásob uhlíku se projevila jako pokles ploch přeměněných z luk a lesů na zemědělskou půdu. Uvádějí také, že zásoby uhlíku klesají v místech, kde dochází ke kácení a obnově lesa. Výzkumníci však uvedli, že nedošlo k žádné změně v zásobách uhlíku v půdě v oblastech přeměněných ze zemědělské půdy a pastvin na lesy. Kromě toho bylo ve výsledcích téže studie také uvedeno, že změny v zásobách uhlíku v průběhu času kolísaly v důsledku změn ve využívání půdy.

Tabulka 1. Vliv změn využívání půdy na kládání uhlíku v půdě

V podobné studii Dawson a Smith [5] provedli srovnání výsledků mnoha výzkumů a ve svých zjištěních zdůraznili, že obsah uhlíku v půdě klesá s přeměnou lesních pozemků a pastvin na zemědělskou půdu, a obráceně. Výsledky, které výzkumníci sestavili z dat, která získali, jsou uvedeny v tabulce 2.

Jak je vidět z tabulek, tak lesy a trvalé travní porosty mají zásadní význam pro ukládání uhlíku. Vzhledem k oblasti, kterou na světě pokrývají, hrají důležitou roli při snižování emisí zajištěním sekvestrace uhlíku v globálním uhlíkovém cyklu.

Tabulka 2. Potenciální změny zásob uhlíku v půdě v důsledku změn ve využívání půdy (upraveno podle Dawsona a Smitha (2007) [5]. Kladné hodnoty ukazují zisky, záporné hodnoty ukazují ztráty.

Vlivy změn ve využívání půdy v pastebních oblastech

Pastviny jsou pro svět životně důležité z hlediska jejich biologické rozmanitosti a schopnosti bránit erozi. Louky a pastviny jsou jedním z hlavních prvků globálního uhlíkového cyklu a lze říci, že zadržují přibližně 0,5 Pg CO₂ ročně, i když existuje nejistota ohledně jejich účinnosti a doby cyklu [6]. Uvádí se, že zásoba uhlíku v půdě je 634 Pg spolu s vegetací na loukách a pastvinách v tropických a mírných klimatických oblastech globálně [7]. Louky, které jsou důležitým úložištěm uhlíku, hrají zásadní roli při snižování dopadů změny klimatu.

Přeměna pastvin na zemědělskou půdu je jednou z největších změn ve využívání půdy, která urychluje erozi půdy i ztrátu organického uhlíku v půdě. Vzhledem k tomu, že půdní uhlík se může snadněji uvolňovat na pastvinách, které byly přeměněny na orné plochy, způsobuje nárůst atmosférického uhlíku. Existuje však příliš mnoho proměnných, které ovlivňují ztrátu organického uhlíku při takových přeměnách. Ve studii, která se pomocí metaanalýzy pokusila odhalit účinky změn ve využívání půdy na zásoby uhlíku v půdě, se zásoby uhlíku v půdě snížily o 10 % při přeměně z pastviny na plantáž, zatímco při přeměně z pastviny na ornou půdu činila tato ztráta 59 %. Kromě toho se organický uhlík v půdě zvýšil o 8 % v oblastech přeměněných z přirozeného lesa na pastviny a o 19 % v oblastech přeměněných z pole na pastviny [8].

V další studii provedené hodnocením 81 vzorků bylo konstatováno, že půdní organický uhlík se po transformaci pastvin snížil a tento pokles nastal v hloubce půdy 0-60 cm a zůstal stejný v hlubších vrstvách půdy [9]. Stejní výzkumníci zdůraznili, že pokles organického uhlíku v půdě pokračuje v průběhu času a dosáhne rovnováhy na konci 20 let. Výsledkem studie bylo konstatování, že ke ztrátě organického uhlíku dochází především v důsledku srážek, fyzikálních a chemických vlastností půdy a změn půdních mikroorganismů.

Kromě přímého úbytku pastvin je ve světě velmi běžnou situací, že pastviny ztrácejí svou produktivitu, zejména kvůli nesprávným postupům obhospodařování. V takto poškozených oblastech se přirozeně snižují zásoby uhlíku v půdě. Nejproblematičtější praktikou je v tomto ohledu nesprávná pastva. Satelitní pozorování provedená v Mongolsku, jedné ze zemí s největšími pastvinami na světě, ukázala, že v průběhu času došlo ke značným ztrátám biomasy. Pokles biomasy o přibližně 60 % v důsledku pozorování provedených za období 21 let v téměř celé stepní oblasti země je spojen se snížením srážek a zvýšenou teplotou a také se zvýšenou produkcí koz v důsledku poptávky po kašmíru a z toho vyplývající nadměrné spásání ploch [10].

V těchto oblastech bude možné zvýšit produktivitu správným managementem pastvin pro ochranu a zlepšení pastvin. To způsobí zvýšení zásob uhlíku na pastvinách, které jsou důležitými zásobárnami uhlíku. Na základě zkoumání údajů získaných jako výsledek mnoha výzkumů bylo konstatováno, že zvýšení hladin C v rozmezí od 0,105 do 1 Mg na hektar se ročně dosáhne lepším hospodařením s pastvou, hnojením v oblastech lučních pastvin, obohacování pastvin o leguminózy a zavlažování [11].

Intenzivní pastva zvyšuje obsah organického uhlíku v půdě o 6-7 % na smíšených pastvinách C4 - C3, kde dominují rostliny C4, zatímco obsah organického uhlíku v půdě na travních porostech, kde dominují rostliny C3, vykázal průměrný pokles o 18 % [12]. Výzkumníci zdůraznili, že dominantní travní porosty C3 a C4 vykazují tak silné rozdíly v obsahu organického uhlíku v půdě související s pastvou, že by se na to měla zaměřit pozornost.

K posouzení potenciálu půdy ukládat uhlík byly na základě analýzy výsledků 115 studií vyhodnoceny globální účinky zlepšených postupů obhospodařování pastvin a přeměny orné půdy na pastviny [13]. Podle výsledků byly mezi zlepšenými postupy obhospodařování pastvin vyhodnoceny metody jako hnojení, zlepšené hospodaření na pastvě, přeměna orné půdy na pastviny, využívání přirozené vegetace, setí leguminóz, zavlažování a podpora žížal a bylo zjištěno, že obsah uhlíku v půdě se zvýšil v 74 % studií. Zatímco nárůst míry sekvestrace uhlíku pokračoval po dobu 40 let, byl obecně nejvyšší v hloubce půdy 10 cm. Míry ukládání C podle typu opatření se pohybují od 0,11 do 3,04 Mg C.ha⁻¹.rok^-1 s průměrem 0,54 Mg C.ha⁻¹.rok^-1.

Vliv rozdílů ve využívání půdy na zásoby uhlíku v zalesněných oblastech

Lesy jsou jedním z nejdůležitějších zásobníků uhlíku v suchozemských ekosystémech, pokud jde o půdu i biomasu. Globálně se asi polovina uhlíku zadrženého na souši nachází v lesích (1146 x 10¹⁵ g), zatímco 2/3 tohoto množství se zadržuje v půdě [14]. Půdy přispívají k čisté sekvestraci uhlíku v celosvětovém měřítku, protože množství uhlíku vstupujícího do půdy rozkladem (61,4 x 10¹⁵ g) na roční bázi mírně převyšuje množství uvolněné dýcháním (60 x 10¹⁵ g) [15].

Přestože sekvestrace půdního uhlíku je z hlediska globálního uhlíkového cyklu důležitým jevem, je potřeba využívat i některé produkty získané z lesů. Lesnictví je dnes důležitým průmyslovým odvětvím a očekává se, že v zásobách uhlíku v lesích dojde ke změnám v závislosti na různých lesnických postupech. Mezi ně patří kácení a rozestup stromů.

V metaanalýze, ve které bylo analyzováno a vyhodnoceno 432 údajů v celosvětovém měřítku, bylo konstatováno, že po kácení může dojít k 8±3% snížení uhlíku v půdě a očekává se, že tento pokles bude 30±6% v hrabance. [16]. Ve studii bylo konstatováno, že úbytek množství uhlíku může být různý podle dřevin a úbytek jehličnatých a jehličnatých druhů se pohyboval kolem 20 %, zatímco u listnatých druhů byl kolem 36 %. Výzkumníci také uvedli, že snížení půdního uhlíku se může lišit podle typu půdy. Zatímco u půd s nízkým obsahem organické hmoty nebyla pozorována žádná významná změna, bylo konstatováno, že pokles byl výraznější u půd s vyšším obsahem organické hmoty. Například zatímco změna u alfisolů a spodosolů nebyla významná, pokles obsahu půdního uhlíku v inseptisolech a ultizolech byl 13 % a 7 %.

Mizení lesních ploch způsobuje, že se tyto oblasti, které fungují jako úložiště uhlíku, mění ve zdroje uhlíku. Uvádí se, že ročně vzniká 2,1 miliardy tun emisí CO₂ v důsledku degradace tropických pralesů, z čehož 53 % připadá na produkci dřeva, 30 % na palivové dříví a 17 % na lesní požáry [17].

Ve studii provedené za účelem měření čistých ročních změn v nadzemní hustotě uhlíku živé vegetace v tropických lesích světa byla 12letá data mezi lety 2003 a 2014 vyhodnocena pomocí satelitních dat MODIS a bylo konstatováno, že tropické lesy na světě byly zdroje uhlíku s ročními čistými emisemi uhlíku 425,2 ± 92,0 Tg [18]. Ve studii bylo zjištěno, že čisté emise uhlíku jsou 861,7 ± 80,2 Tg C rok^-1, zatímco zisk byl vypočten jako 436,5 ± 31,0 Tg C rok^-1. Bylo konstatováno, že získané uhlíkové zisky byly způsobeny růstem lesů, zatímco ztráty byly způsobeny odlesňováním a následným poklesem hustoty uhlíku ve zbývajících lesích. Údaje získané ve studii jsou uvedeny v tabulce 3, rozdělené dle kontinentů.

Tabulka 3. Změny v nadzemním ukládání uhlíku (Tg C rok ^-1) v tropických lesích světa.

V lesních oblastech je nevyhnutelným výsledkem změna půdního organického uhlíku v závislosti na změnách ve využívání půdy. Existuje však mnoho faktorů, které ovlivňují změnu zásob organického uhlíku v půdě. Například ve studii zkoumající účinky přeměny z lesa na plantáže bylo uvedeno, že došlo k velmi malé změně v zásobách uhlíku v půdě v lese s listnatými druhy, zatímco snížení zásob uhlíku dosáhlo 15 % na ploše přeměněné z jehličnanů [8]. Změna půdního uhlíku byla ovlivněna intenzitou srážek a v oblastech se srážkami nad 1500 mm byly zaznamenány ztráty dosahující 56 %. Ztráta uhlíku v půdě v oblastech přeměněných z lesa na plantáže pokračovala v průběhu celého procesu a bylo zjištěno, že činí 20 % a stabilizovala se po 40. roce. Ve výsledcích téže studie bylo konstatováno, že ztráta půdního organického uhlíku v pozemcích přeměněných z lesní na zemědělskou půdu byla 42 % a k tomu došlo v prvních 60 cm půdy.

V jiné studii byly zkoumány vliv přeměny zemědělských oblastí (obilniny a vinná réva) na lesní oblasti. Výsledky byly zjištěny modelováním [19]. Bylo zjištěno, že dochází k akumulaci organické hmoty, většinou ve vrstvách ornice během zalesňování. Roční akumulace uhlíku na metr čtvereční byla udávána jako 19 g v oblastech s dříve pěstovanou révou a 41 g v oblastech s dříve pěstovanými obilninami.

Oblasti mangrovů, které se skládají ze stromů a keřů v pobřežních oblastech a jsou důležitými zásobárnami uhlíku pro svět s potenciálem ukládání uhlíku až 25,5 milionů tun ročně [20], se také neustále zmenšují. Odhaduje se, že v důsledku degradace mangrovů a mokřadů se ročně uvolní 0,15 až 1,02 miliardy tun uhlíku [21].

Změny v zásobách uhlíku v důsledku urbanizace

V důsledku rostoucí urbanizace jsou pozorovány změny v krajinném pokryvu a v důsledku toho dochází ke značným ztrátám pozemských zásob uhlíku. Zejména v oblastech méně postižených expanzí měst dosahují ztráty stanovišť vyšších úrovní. Je zřejmé, že v posledních letech došlo v celosvětovém měřítku k rychlé urbanizaci.

Byla provedena studie hodnotící účinky urbanizované půdy na dynamiku uhlíku v Jižní Americe v období 63 let mezi lety 1945 a 2007 pomocí dynamického modelu. V této studii bylo vypočteno, že emise uhlíku do atmosféry byly 0,21 Pg v důsledku urbanizace během tohoto období [22]. Podle výzkumníků typ vegetace, která existovala před urbanizací, a doba, která uplynula od transformace půdy, určují rozsah účinků urbanizace na dynamiku uhlíku. Po rychlém poklesu ukládání uhlíku během přeměny půdy městský ekosystém postupně akumuluje uhlík a může kompenzovat počáteční ztrátu uhlíku za 70–100 let. Podle výzkumníků míra sekvestrace uhlíku v městském ekosystému časem klesá a po dvou stoletích téměř zmizí.

V jiné studii, která se pokusila určit vliv rychlé urbanizace na pozemské zdroje uhlíku, byl analyzován vliv změn ve využívání půdy na propady uhlíku a emise od roku 2000 do roku 2012 v Guangzhou v Číně [23]. Urbanizace ve městě Guangzhou se během sledovaného období zvýšila o 119 % a emise uhlíku výrazně překročily jejich kapacitu pro ukládání uhlíku. Zatímco pokles celkového propadu uhlíku byl 30 %, celkové emise uhlíku vzrostly z 13,73 × 10⁶ tun na 39,67 × 10⁶ tun. Výzkumníci varovali, že pro využití půdy ve státní politice by měly být stanoveny „limity růstu měst“ a „ekologické červené čáry“, aby bylo zajištěno udržitelné využití půdy.

Využití půdy má velký význam z hlediska sekvestrace uhlíku v půdě. Louky a lesy mají obecně vyšší potenciál sekvestrace uhlíku než orná půda. Vyhýbání se změnám ve využívání půdy, které zvýší čisté uhlíkové emise v suchozemských oblastech, bude pro kontrolu globálního oteplování stále důležitější.

Zdroje

1. Song , XP ., Hansen , MC, Stehman , SV et al . (2018). global land change from 1982 to 2016. Nature 560, 639–643. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0411-9

2. Breewood , H. & Garnett , T. (2020). What is feed food competition ? ( Foodsource : building blocks ). food climate Research Network, University of Oxford DOI: 10.13140/RG.2.2.32463.64161

3. Jobbágy , EG ., & Jackson, RB, (2000). the vertical distribution of soil organic carbon and its relation to climate and vegetation . ecol . Appl . 10, 423–436.

4. Deng , L. , Zhu , G., Tang , Z., & Shangguan , Z. (2016). Global patterns of the effects of land-use changes on soil carbon stock _ Global Ecology and Conservation , 5, 127–138. doi:10.1016/j.gecco.2015.12.004

5. Dawson , JJ C. , & Smith, P. (2007). carbon loss from soil and its consequences for land use management. Science of The Total Environment, 382(2-3), 165–190. doi:10.1016/j.scitotenv.2007.03.

6. Kalonia , HD ., (2022). The Importance of Pasturelands in Climate Change Mitigation and Adaptation Processes, Journal of Environment, City and Climate. Year: 1. Issue: 1. ss . 128-157.

7. Janzen , H.H. , (2004). carbon cycling in the earth systems -a soil science perspective , Agriculture , Ecosystems and Environment 104:399-417

8. Guo , L. B. , & Gifford , RM (2002). Soil carbon stock and land use change : a meta- analysis . Global Change Biology , 8(4), 345–360. doi:10.1046/j.1354-1013.2002.00486.x

9. Tang , S. , Guo , J., Li , S., Li , J., Xie , S., Zhai , X., … Wang , K. (2019). Synthesis of soil carbon losses in response to conversion of grassland to agriculture land _ Soil and Tillage Research , 185, 29–35. doi:10.1016/j.still.2018.08.011

10. Liu YY, Evans JP, McCabe MF, de Jeu RAM, van Dijk AIJM, et al. (2013) Changing Climate and Overgrazing are Decimating mongolian steppe _ PLOS ONE 8(2): e57599. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0057599

11. Conant , R. T. , Cerri, CEP, Osborne , BB, & Paustian , K. (2017). Grassland management impacts on soil carbon stocks : a new synthesis _ Ecological Applications, 27(2), 662–668. doi:10.1002/eap.1473

12. McSherry , M. E. , & Ritchie , ME (2013). Effects of grazing on grassland soil carbon : a global review . Global Change Biology , 19(5), 1347–1357. doi:10.1111/gcb.12144

13. Conant , R.T. , Paustian , K., & Elliott , ET (2001). Grassland Management and Conversion Into Grassland : Effects On Soil carbon _ Ecological Applications, 11(2), 343–355. doi:10.1890/1051-0761(2001)011[0343:gmacig]2.0.co;2

14. Dixon , RK ., Brown, S., Houghton , RA, Solomon, AM, Trexler , MC, & Wisniewski , J., (1994). carbon pools and flux of global forest ecosystems . Science 263, 185–190.

15. Schimel , DS (1995). terrestrial ecosystems and the carbon cycle . Global Change Biology 1, 77–91.

16. Nave , L.E. , Vance , ED, Swanston , CW, & Curtis , PS (2010). Harvest impacts on soil carbon storage in temperature forest _ forest Ecology and Management, 259(5), 857–866. doi:10.1016/j.foreco.2009.12.009

17. Pearson , TRH ., Brown, S., Murray , L., & Sidman , G., (2017). greenhouse gas emissions from tropical forest degradation : an underestimated source . carbon Balance and Management volume 12, Article number : 3 (2017)

18. Baccini , A. , Walker , W., Carvalho , L., Farina , M., Sulla-Menashe , D., & Houghton , RA (2017). tropical forests are a net carbon source based on aboveground measurements of gain and loss . Science , 358(6360), 230–234. doi:10.1126/science.aam5962

19. Romania , J ,, Cortina , J., Falloon , P., Coleman , K., & Smith, P. (2000). modeling changes in soil organic matter after planting fast growing pinus radiata on Mediterranean agricultural soils . european Journal of Soil Science , 51, 627–641.

20. Ong , JE (1993) Mangroves – a carbon source and sink . Chemosphere 27: 1097–1107.

21. Pendleton , L. , Donato , DC, Murray , BC, Crooks , S., Jenkins , WA, Sifleet , S., et al. (2012) Estimating Global “Blue Carbon ” Emissions from Conversion and Degradation of Vegetated Coastal Ecosystems . PLoS ONE 7(9): e43542. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0043542

22. Zhang , C. , Tian , H., Chen , G., Chappelka , A., Xu , X., Ren, W., … Lockaby , G. (2012). Impacts of urbanization on carbon balance in terrestrial ecosystems of the Southern United States . Environmental Pollution , 164, 89–101. doi:10.1016/j.envpol.2012.01.020

23. Xu , Q. , Yang , R., Dong , Y.-X., Liu , Y.-X., & Qiu , L.-R. (2016). the influence of rapid urbanization and land use changes on terrestrial carbon sources / sinks in Guangzhou , China . ecological Indicators , 70, 304–316. doi:10.1016/j.ecolind.2016.05.05